房 倩 張頂立 杜建明 程荔瓊

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

1 概述

當(dāng)高速列車從明線駛?cè)胨淼?，列車周圍空氣受到隧道壁面、列車表面以地面的限制而使空氣體積急劇減少，導(dǎo)致周圍壓力突然升高，誘發(fā)隧道內(nèi)空氣壓力波[1]。列車車頭進(jìn)入隧道誘發(fā)壓縮波、車尾進(jìn)入隧道誘發(fā)膨脹波，壓縮波與膨脹波向隧道出口以聲波速度傳播，在隧道出口大部分壓力波又以異項(xiàng)波的形式向隧道內(nèi)反射[2]，并向隧道入口以當(dāng)?shù)芈暡ㄋ俣葌鞑?，如此循環(huán)往復(fù)，最終形成隧道內(nèi)的復(fù)雜壓力波系，將作用在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的壓力波稱之為隧道壁面氣動(dòng)荷載。高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載是列車高速經(jīng)過(guò)隧道誘發(fā)氣動(dòng)效應(yīng)從而作用在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的空氣壓力，是高速鐵路隧道設(shè)計(jì)區(qū)別與普通隧道的關(guān)鍵所在，也是高速鐵路隧道襯砌掉塊的主要誘因之一。了解并掌握高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載特征及其與影響因素之間的關(guān)系，對(duì)于高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安全事故(如襯砌掉塊)防范具有重要的理論意義與工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

王英學(xué)等[3]綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)高速列車經(jīng)過(guò)隧道誘發(fā)的壓力波梯度變化、形成機(jī)理、計(jì)算方法、試驗(yàn)研究手段以及緩解措施。田紅旗等[4-5]論述了列車空氣動(dòng)力學(xué)的主要研究手段：數(shù)值模擬計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)以及在線實(shí)車試驗(yàn)，研究了隧道-列車耦合空氣動(dòng)力特性。肖京平等[6]比較全面系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究在模型試驗(yàn)、實(shí)車測(cè)量、數(shù)值計(jì)算等方面的技術(shù)進(jìn)展情況，并對(duì)高速列車經(jīng)過(guò)隧道時(shí)隧道效應(yīng)進(jìn)行了闡述分析。馬偉斌等[7]論述了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)、數(shù)值仿真計(jì)算和室內(nèi)模型試驗(yàn)等高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)的研究方法，分析了隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響因素，系統(tǒng)研究了動(dòng)車組經(jīng)過(guò)隧道以及雙車交會(huì)時(shí)車體內(nèi)部與隧道壁面瞬變壓力隨速度的變化規(guī)律。楊國(guó)偉等[8]從高速列車空氣動(dòng)力學(xué)、高速弓網(wǎng)關(guān)系、高速輪軌關(guān)系、高速列車車輛動(dòng)力學(xué)、高速列車結(jié)構(gòu)疲勞可靠性、高速列車噪聲6個(gè)方面對(duì)高速列車研制及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的典型力學(xué)問(wèn)題研究進(jìn)展以及未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行梳理。然而，上述綜述未對(duì)隧道壁面氣動(dòng)荷載特征進(jìn)行深入分析，也未涉及氣動(dòng)荷載對(duì)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)疲勞影響的研究展望。

隨著高速鐵路隧道進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期，氣動(dòng)荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響逐漸凸顯。在氣動(dòng)荷載拉壓循環(huán)持續(xù)作用下，高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)破壞模型以及破壞機(jī)制顯著區(qū)別于普通隧道。高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下的破壞模型以疲勞損傷破壞為主，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)微觀缺陷(如裂縫、空洞等)在氣動(dòng)荷載作用下也會(huì)持續(xù)發(fā)展并相互連通，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷從細(xì)微觀發(fā)展至宏觀并相互貫通后，就可能會(huì)誘發(fā)襯砌掉塊等安全事故，從而嚴(yán)重威脅高速鐵路列車在隧道內(nèi)的安全營(yíng)運(yùn)。

為此，在對(duì)高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載特征進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試、動(dòng)模型試驗(yàn)以及數(shù)值仿真模擬技術(shù)等主要研究手段，對(duì)于目前存在問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了初步介紹，相關(guān)研究可為將來(lái)高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載特征研究提供參考和借鑒。

2 隧道壁面氣動(dòng)荷載特征分析

根據(jù)高速列車與隧道之間的空間位置關(guān)系可將隧道壁面氣動(dòng)荷載劃分為3個(gè)階段，即列車車頭開(kāi)始駛?cè)胨淼狼?階段Ⅰ)；列車車頭開(kāi)始駛?cè)胨淼乐敝淋囄餐耆傠x隧道(階段Ⅱ)；列車車尾完全駛離隧道后(階段Ⅲ)。

當(dāng)高速列車從明線逐漸駛近隧道入口時(shí)，車頭前方空氣受到持續(xù)擠壓形成壓縮波，并以聲速向前傳播，絕大部分壓縮波在空氣傳播過(guò)程中逐漸消散，較少部分壓縮波進(jìn)入隧道并作用在隧道壁面，從而引起壁面氣動(dòng)壓力逐漸升高，如圖1所示。進(jìn)入隧道內(nèi)部壓縮波所攜能量在傳播過(guò)程會(huì)受到空氣阻力、壁面摩擦阻力等影響而逐漸減弱并消散，隨著傳播距離的增加，壓縮波攜帶能量逐漸減弱并消散，主要表現(xiàn)為壁面氣動(dòng)壓力峰值隨入口距離的增加逐漸減弱。如梅元貴等[9]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車鼻尖到達(dá)隧道入口之前，隧道壁面即開(kāi)始承受氣動(dòng)壓力，氣動(dòng)壓力隨列車駛近隧道入口開(kāi)始升高并逐漸向隧道內(nèi)傳播。

圖1 列車駛?cè)胨淼狼皦嚎s波傳播過(guò)程

當(dāng)高速列車車頭駛?cè)胨淼廊肟谒查g，由于車頭前方空氣的可壓縮性以及流動(dòng)性受到隧道壁面、列車表面以及地面的限制而強(qiáng)烈壓縮，車頭前方空氣壓力急劇升高，形成初始?jí)嚎s波并以聲速向隧道出口傳播，壓縮波在隧道出口又以膨脹波的形式向隧道內(nèi)反射并以聲速向隧道入口傳播；當(dāng)高速列車車尾駛?cè)胨淼廊肟谒查g，由于隧道入口車體所占空間大于隧道外部以及列車環(huán)狀空間流入的空氣體積，形成低于隧道入口大氣壓力的膨脹波并以聲速向隧道出口傳播，膨脹波在隧道出口又以壓縮波的形式向隧道內(nèi)反射并以聲速向隧道入口傳播；當(dāng)高速列車駛?cè)胨淼?，壓縮波和膨脹波不斷產(chǎn)生并以聲速傳播和反射，當(dāng)壓縮波和膨脹波遇到列車車頭或車尾時(shí)，由于列車的存在使得隧道橫斷面減小而使得壓縮波和膨脹波發(fā)生二次反射，并在隧道出入口、列車表面/隧道壁面之間不斷反射、連續(xù)疊加，最終形成了復(fù)雜的氣動(dòng)荷載。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[10-12]研究發(fā)現(xiàn)，隧道壁面氣動(dòng)荷載最大值近似與列車速度平方成正比。

隧道壁面測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力變化及壓力波系傳播過(guò)程如圖2所示。其中，壁面氣動(dòng)壓力為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，隧道長(zhǎng)1 000 m，橫斷面面積為100 m2，雙線隧道，線間距為5.0 m，洞口設(shè)有頂部開(kāi)口的斜切式緩沖結(jié)構(gòu)。列車為8節(jié)編組CRH2C型車，車長(zhǎng)201.4 m，車頭流線型長(zhǎng)9.55 m，車體橫斷面面積為11.20 m2。測(cè)點(diǎn)距軌面高1.5 m，距隧道入口300 m。字母N為車頭，T為車尾，Cni為車頭進(jìn)入隧道入口誘發(fā)壓縮波，Eni為對(duì)應(yīng)壓縮波在洞口反射形成膨脹波，Cno為車頭駛離隧道出口誘發(fā)壓縮波。Eti為車尾進(jìn)入隧道入口誘發(fā)膨脹波，Cti為對(duì)應(yīng)膨脹波在洞口反射形成壓縮波，Eto為車尾駛離隧道出口誘發(fā)膨脹波。①～分別為壓縮波或膨脹波到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)刻。當(dāng)車頭進(jìn)入隧道入口瞬間誘發(fā)壓縮波Cni，并以聲速向前傳播，到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)，引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力升高并達(dá)到正峰值。車尾進(jìn)入隧道入口誘發(fā)膨脹波Eti，并以聲速向前傳播，到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力降低。車頭經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力降低，車頭進(jìn)入隧道入口誘發(fā)壓縮波Cni在出口反射，形成的膨脹波Eni經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力持續(xù)降低，并達(dá)到負(fù)峰值。車尾經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力升高。車頭進(jìn)入隧道入口誘發(fā)壓縮波經(jīng)過(guò)兩次反射后形成的壓縮波再次經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力升高，車尾進(jìn)入隧道入口誘發(fā)膨脹波經(jīng)過(guò)首次反射后形成壓縮波經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力持續(xù)升高，并再次達(dá)到正峰值。車尾進(jìn)入隧道入口誘發(fā)膨脹波經(jīng)過(guò)兩次反射形成膨脹波經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力降低，車頭進(jìn)入隧道入口誘發(fā)壓縮波經(jīng)過(guò)3次反射形成膨脹波經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)引起測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力持續(xù)降低，并再次達(dá)到負(fù)峰值。當(dāng)車頭駛出隧道出口時(shí)，再次誘發(fā)壓縮波，并以聲速向隧道內(nèi)反射，車尾駛出隧道出口再次誘發(fā)膨脹波，并同樣以聲速向隧道內(nèi)反射，如此循環(huán)往復(fù)，從而在隧道內(nèi)部形成復(fù)雜的壓力波系。

圖2 隧道壁面氣動(dòng)壓力變化及壓力波系傳播過(guò)程

當(dāng)高速列車車尾駛離隧道出口后，壓縮波和膨脹波持續(xù)在隧道出入口之間傳播、反射并連續(xù)疊加。由于受到隧道內(nèi)部空氣阻力、壁面摩擦力影響而使得壓縮波與膨脹波所攜能量逐漸減弱并耗散，從而使得壁面氣動(dòng)壓力峰值表現(xiàn)為逐漸減小趨勢(shì)。對(duì)于某一個(gè)特定隧道而言，隧道長(zhǎng)度、橫截面積、壁面摩擦系數(shù)、壓力波傳播速度等參數(shù)均為定值，故隧道壁面氣動(dòng)壓力峰值呈現(xiàn)周期性衰減規(guī)律，衰減周期可表示為T=2L/c，L為隧道長(zhǎng)度，c為當(dāng)?shù)芈暡ㄋ俣?。其中，隧道長(zhǎng)度與壓力波傳播速度影響衰減周期，隧道橫截面積與壁面摩擦系數(shù)影響壁面氣動(dòng)壓力衰減速率。如劉峰等[13-15]研究發(fā)現(xiàn)，列車駛出隧道后氣動(dòng)荷載隨衰減周期數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)形式的衰減規(guī)律，且列車駛出隧道后氣動(dòng)荷載持續(xù)時(shí)長(zhǎng)是列車行駛于隧道內(nèi)的6～11.5倍。

高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載具有鮮明的時(shí)空特性，即氣動(dòng)荷載隨時(shí)間與空間發(fā)生顯著變化。氣動(dòng)荷載時(shí)間特性與列車/隧道之間的空間位置關(guān)系密切相關(guān)，當(dāng)列車行駛在不同階段(階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，氣動(dòng)荷載呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的鮮明特征。氣動(dòng)荷載空間特征與隧道位置關(guān)系密切相關(guān)，氣動(dòng)荷載在隧道出入口呈現(xiàn)出鮮明的三維特性，而在隧道中部卻表現(xiàn)為顯著的一維特性[16]。

3 氣動(dòng)荷載研究手段

高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載研究手段主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試、模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真模擬以及理論分析4種手段。其中，理論分析手段因湍流模型無(wú)法獲得解析解而最終演化為數(shù)值仿真模擬技術(shù)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試

通過(guò)預(yù)先埋設(shè)在壁面的氣動(dòng)壓力傳感器來(lái)獲取實(shí)車經(jīng)過(guò)隧道誘發(fā)氣動(dòng)效應(yīng)作用在隧道壁面的氣動(dòng)荷載隨時(shí)間變化曲線的方法稱之為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)主要包括車速重復(fù)性技術(shù)、測(cè)點(diǎn)全斷面/全長(zhǎng)布設(shè)技術(shù)與隧道壁面結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)、長(zhǎng)/超長(zhǎng)隧道信號(hào)傳輸技術(shù)等。車速重復(fù)性技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試的基礎(chǔ)，也是后期測(cè)試數(shù)據(jù)分析的前提，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試試驗(yàn)具有重要意義。通過(guò)在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面安設(shè)數(shù)量有限的壓力傳感器來(lái)獲取隧道壁面氣動(dòng)荷載是目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試的主要手段。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院結(jié)合無(wú)線遠(yuǎn)程控制與集中監(jiān)控技術(shù)研制出能夠?qū)崿F(xiàn)車上車下以及隧道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)同步、無(wú)線、遠(yuǎn)程測(cè)試的高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)，解決了長(zhǎng)大隧道內(nèi)無(wú)GSMR、GPS信號(hào)，地形與環(huán)境惡劣、監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸要求同步等難題，并成功應(yīng)用于武廣線大瑤山1號(hào)隧道，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集傳感器、IMC集成測(cè)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及接受終端等部分組成，系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)[7]

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試能夠真實(shí)獲取高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載，是最直接有效的研究手段，其結(jié)果數(shù)據(jù)不僅能真實(shí)反映氣動(dòng)荷載變化規(guī)律，而且能夠用來(lái)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算與理論分析結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、組織協(xié)調(diào)難度大，測(cè)試結(jié)果易受測(cè)試設(shè)備精度影響且測(cè)試工況受限于既有列車模型種類及隧道斷面或長(zhǎng)度尺寸。

當(dāng)8節(jié)編組的CRH2C型高速列車(如圖4所示)以300 km/h速度經(jīng)過(guò)長(zhǎng)1 005 m雙線隧道后，距隧道入口500 m，距軌面高度1.5 m的測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力時(shí)程曲線如圖5所示[13]。其中，列車長(zhǎng)201.4 m，車頭流線型部分長(zhǎng)9.55 m，車體橫斷面11.20 m2。隧道洞口設(shè)有頂部開(kāi)口的斜切式緩沖結(jié)構(gòu)，凈斷面100 m2，線間距5.0 m。

圖4 CRH2C型車

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得隧道壁面氣動(dòng)壓力時(shí)程曲線[13]

3.2 模型試驗(yàn)

研究高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載的模型試驗(yàn)手段主要包括水槽法與動(dòng)模型試驗(yàn)技術(shù)。

水槽法是利用可壓縮性氣體與自由表面流體相似性原理，通過(guò)測(cè)試列車模型在水槽中移動(dòng)激起的水波高度來(lái)求解隧道內(nèi)部空氣壓力的變化，其主要是利用液態(tài)水作為工作介質(zhì)來(lái)研究高速列車經(jīng)過(guò)隧道誘發(fā)氣動(dòng)效應(yīng)的技術(shù)手段，其優(yōu)點(diǎn)是高速列車可用較低速度來(lái)模擬。水槽法試驗(yàn)系統(tǒng)一般由水槽、列車模型與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、隧道模型、軌道系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)等組成[17]。高品賢等[18]通過(guò)淺水槽法研究高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)空氣壓力波的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)淺水槽法試驗(yàn)結(jié)果定性分析效果較好，定量分析由于水槽長(zhǎng)度有限導(dǎo)致誤差相對(duì)較大(10%左右)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 淺水槽法試驗(yàn)系統(tǒng)[18]

White等[19]提出如果增加水深以提高雷諾數(shù)，且采用較大列車模型，則可獲得更為滿意的結(jié)果。由于水槽法定量分析結(jié)果不理想，Swarden等[20]建立了以氟利昂氣體為工作介質(zhì)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，幾何相似比達(dá)1∶50，馬赫數(shù)達(dá)0.36。隨后，Dayman等[21]開(kāi)始使用空氣作為工作介質(zhì)的模型標(biāo)志著動(dòng)模型試驗(yàn)技術(shù)的誕生。高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)技術(shù)的主要原理是運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原流體相似性，包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似以及動(dòng)力相似。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)制作外形相似的縮尺列車模型來(lái)滿足幾何相似；通過(guò)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置給列車提供運(yùn)動(dòng)力以達(dá)到真實(shí)列車運(yùn)行速度來(lái)滿足運(yùn)動(dòng)相似性；流體存在兩個(gè)自模區(qū)，即第1與第2自模區(qū)，當(dāng)模型與實(shí)物在同一種流體中處于同一個(gè)自模區(qū)時(shí)，模型與實(shí)物的雷諾數(shù)Re允許不等而使得模型試驗(yàn)結(jié)果可直接使用，或適當(dāng)修正后應(yīng)用于實(shí)物中，故可以通過(guò)將模型列車與真實(shí)列車保持在同一個(gè)自模區(qū)來(lái)近似滿足動(dòng)力相似性[22]。相關(guān)學(xué)者[23，24]研究發(fā)現(xiàn)，第1自模區(qū)是指Re小于第一臨界值時(shí)流體呈現(xiàn)有規(guī)則的層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，第2自模區(qū)是指Re大于第二臨界值時(shí)流體呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的絮流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)動(dòng)模型試驗(yàn)列車Re大于第二臨界值即可保證模型列車與真實(shí)列車均位于第2自模區(qū)，近似認(rèn)為動(dòng)模型試驗(yàn)滿足動(dòng)力相似性。

高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括列車縮尺模型、隧道縮尺模型、列車發(fā)射裝置、列車接收裝置、軌道裝置以及數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)外高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)如表1所示，部分試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖7所示[25，28]。動(dòng)模型試驗(yàn)技術(shù)基于相似原理能夠比較真實(shí)的再現(xiàn)高速列車經(jīng)過(guò)隧道誘發(fā)的氣動(dòng)效應(yīng)，相比于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試，動(dòng)模型試驗(yàn)費(fèi)用較低、周期較短、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)，且測(cè)試工況不受列車模型種類以及隧道長(zhǎng)度或斷面尺寸的限制，但模型試驗(yàn)系統(tǒng)建造費(fèi)用較高、占地面積較大，測(cè)試結(jié)果受隧道長(zhǎng)度增加影響顯著。

圖7 部分高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)原理

表1 國(guó)內(nèi)外動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

模型試驗(yàn)系統(tǒng)采用中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所雙向動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，列車模型長(zhǎng)9.9 m，橫截面0.186 m2，車頭流線型長(zhǎng)0.3 m，隧道阻塞比0.119。列車模型如圖8所示。當(dāng)列車以速度304 km/h穿過(guò)隧道后，距隧道入口20 m拱頂處測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力時(shí)程曲線如圖9所示[31]。

圖8 列車模型

圖9 模型試驗(yàn)所得隧道壁面氣動(dòng)壓力時(shí)程曲線[31]

3.3 數(shù)值仿真模擬

數(shù)值仿真模擬技術(shù)是利用數(shù)值模擬軟件對(duì)高速列車經(jīng)過(guò)隧道誘發(fā)的三維、黏性、可壓縮以及非穩(wěn)態(tài)的湍流流場(chǎng)進(jìn)行研究的技術(shù)手段。數(shù)值模擬軟件主要包括商業(yè)軟件和自主開(kāi)發(fā)軟件兩大類，商業(yè)軟件主要有FLUENT、CFX以及PHOENICS等；自主開(kāi)發(fā)軟件主要有西南交通大學(xué)自主研發(fā)的基于一維可壓縮非穩(wěn)態(tài)流理論和特征線方法的隧道壓力波數(shù)值計(jì)算軟件[32]、中南大學(xué)自主研發(fā)的三維近尾流場(chǎng)數(shù)值積分軟件以及三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件等。值得注意的是：高速列車經(jīng)過(guò)隧道誘發(fā)的氣動(dòng)效應(yīng)隨著數(shù)值模擬軟件的不同會(huì)呈現(xiàn)出較大差異，故數(shù)值模擬仿真計(jì)算結(jié)果有必要與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試或動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[33]。數(shù)值仿真模擬主要包括湍流模型選擇、模型網(wǎng)格劃分、移動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的信息交換、N-S方程求解中的流動(dòng)項(xiàng)與壓力梯度的離散問(wèn)題等。湍流模型的正確選擇是高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)準(zhǔn)確模擬的關(guān)鍵。目前，主要的湍流模型有非穩(wěn)定雷諾時(shí)均納維斯托克斯(unsteady-Reynolds-Averaged Navier-Stokes/URANS)、自適用模擬(Scale-Adaptive Simulation/SAS)、分離渦模擬 (Detached Eddy Simulation/DES)以及大渦模擬 (Large Eddy Simulation/LES)。其中，URANS是目前工程上進(jìn)行流程數(shù)值仿真計(jì)算普通采用的方法之一[34]。網(wǎng)格類型主要包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格三大類。其中，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠較好控制網(wǎng)格質(zhì)量、計(jì)算量小、計(jì)算結(jié)果容易收斂、邊界層網(wǎng)格易于保證，但對(duì)特殊形狀模型適應(yīng)性較差；非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)特殊形狀模型適應(yīng)性好，但網(wǎng)格質(zhì)量難以控制、計(jì)算量高、計(jì)算收斂時(shí)間長(zhǎng)、邊界層網(wǎng)格難以保證[35]；混合網(wǎng)格結(jié)合了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)特殊形狀模型適應(yīng)性好，且計(jì)算量小[36]。移動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的信息交換技術(shù)主要包括動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、滑移網(wǎng)格技術(shù)以及重疊網(wǎng)格技術(shù)三大類。其中，動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)能夠真實(shí)再現(xiàn)高速列車的運(yùn)動(dòng)效果，但動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)在列車移動(dòng)過(guò)程中需要進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，容易導(dǎo)致網(wǎng)格負(fù)體積，且時(shí)間步長(zhǎng)要求高、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)；滑移網(wǎng)格技術(shù)通過(guò)在移動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域之間設(shè)置接觸面interface來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的信息傳遞，無(wú)需在列車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，且計(jì)算時(shí)間比動(dòng)網(wǎng)格短，但滑移網(wǎng)格對(duì)interface的形狀和平順性要求較高，且不允許動(dòng)、靜網(wǎng)格交錯(cuò)的情況，同時(shí)滑移網(wǎng)格也無(wú)法再現(xiàn)列車的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)；重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在不同區(qū)域生成網(wǎng)格，且網(wǎng)格之間可以交錯(cuò)、重疊，在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)耦合分析來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的信息傳遞，但重疊網(wǎng)格技術(shù)內(nèi)存占用比滑移網(wǎng)格大[37]。相較于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試與動(dòng)模型試驗(yàn)技術(shù)，數(shù)值仿真模擬技術(shù)費(fèi)用低、占地小，且不受列車模型種類與隧道形狀尺寸限制，同時(shí)能夠展示隧道內(nèi)部以及列車周圍的流程特性，但數(shù)值仿真模擬結(jié)果受模擬軟件以及參數(shù)選擇影響較大，模擬結(jié)果始終需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車或動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。

數(shù)值仿真模擬采用忽略細(xì)部結(jié)構(gòu)8節(jié)編組列車模型，列車模型如圖10所示。其原型為我國(guó)目前普遍采用的CRH380A型車。當(dāng)列車以速度350 km/h經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度1 000 m的雙線高鐵隧道后，距離隧道入口500 m拱頂處測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)壓力時(shí)程曲線如圖11所示。其中，列車長(zhǎng)度205.5 m，車頭流線型長(zhǎng)度12.0 m，車體橫斷面11.12 m2。隧道凈斷面100 m2，雙線間距5.0 m，洞口未設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。

圖10 列車模型

圖11 數(shù)值仿真模擬所得隧道壁面氣動(dòng)壓力時(shí)程曲線

4 存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試

目前，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試獲取的壁面氣動(dòng)荷載數(shù)據(jù)量較少，其主要通過(guò)在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面安設(shè)數(shù)量有限的壓力傳感器來(lái)獲取隧道壁面特定位置的氣動(dòng)荷載。如何保證不破壞隧道結(jié)構(gòu)前提下實(shí)現(xiàn)隧道全斷面與全長(zhǎng)氣動(dòng)荷載數(shù)據(jù)獲取是未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。三維光纖貼壁線性布置數(shù)據(jù)量多、對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞量小，利于實(shí)現(xiàn)隧道全斷面、全長(zhǎng)測(cè)點(diǎn)布置，且三維光纖能夠重復(fù)利用，試驗(yàn)費(fèi)用低、工作量少，有望成為未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)中使用率最高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之一。

4.2 動(dòng)模型試驗(yàn)技術(shù)

動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)制作周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、占地面積大、試驗(yàn)所需人員多，而模型列車速度控制精度依然有待進(jìn)一步提高。如何設(shè)計(jì)制作占地面積小、人員少、速度控制精度高的動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)是未來(lái)模擬試驗(yàn)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。環(huán)形軌道相較于直線型軌道占地面積小，且模型列車無(wú)需掉頭，試驗(yàn)所需人員少，電機(jī)控制更加靈活且易于精確控制，有望進(jìn)一步提高模型列車運(yùn)行速度的控制精度，環(huán)形軌道配合電機(jī)控制可以作為未來(lái)動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作的優(yōu)選技術(shù)之一。

4.3 數(shù)值仿真模擬

數(shù)值仿真模擬主要通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)大體量網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，或者通過(guò)簡(jiǎn)化列車復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及縮短列車長(zhǎng)度(8車編組縮短為3車編組)來(lái)減少網(wǎng)格數(shù)量。如何保證模擬結(jié)果精度前提下減少網(wǎng)格數(shù)量或者提高計(jì)算機(jī)對(duì)大體量網(wǎng)格計(jì)算效率是未來(lái)數(shù)值仿真模擬試驗(yàn)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一?；旌暇W(wǎng)格技術(shù)結(jié)合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，在特殊形狀表面以及邊界層采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，而在規(guī)則表面以及壓力遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，從而極大減少網(wǎng)格數(shù)量以提高數(shù)值仿真模擬的計(jì)算效率，有望成為未來(lái)數(shù)值仿真模擬試驗(yàn)技術(shù)中使用率最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一。

5 結(jié)論

(1)列車駛?cè)胨淼狼埃淼辣诿鏆鈩?dòng)荷載峰值小、持續(xù)時(shí)間短，在列車單次通過(guò)隧道時(shí)可以忽略不計(jì)。列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)，由于列車的存在導(dǎo)致壓縮波與膨脹波發(fā)生多次反射而使得隧道壁面氣動(dòng)荷載呈現(xiàn)不規(guī)則變化，即正負(fù)峰值不等。列車完全駛出隧道后，壓縮波與膨脹波僅在隧道出入口反射，由于受到空氣阻力及壁面摩擦阻力，從而表現(xiàn)出周期性衰減趨勢(shì)。

(2)三維光纖貼壁線性布置技術(shù)利于實(shí)現(xiàn)隧道全斷面、全長(zhǎng)測(cè)點(diǎn)布置，且重復(fù)利用率高，試驗(yàn)費(fèi)用低、工作量少等優(yōu)點(diǎn)，因此，建議未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試過(guò)程中將三維光纖測(cè)試技術(shù)作為一個(gè)主要的優(yōu)選方案；電機(jī)控制更加靈活且易于精確控制，有望進(jìn)一步提高模型列車運(yùn)行速度的控制精度，可作為未來(lái)動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力控制的優(yōu)選技術(shù)之一；混合網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)點(diǎn)，在特殊形狀表面及邊界層采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，在規(guī)則表面及壓力遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，從而極大的減少網(wǎng)格數(shù)量以提高數(shù)值仿真模擬計(jì)算效率，有望成為未來(lái)數(shù)值仿真模擬試驗(yàn)技術(shù)中使用率最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一。